Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы качества электроэнергии в распределительных сетях 8
1.1. Качество электроэнергии. Несинусоидальные режимы работы электрических сетей 8
1.2. Сравнительный обзор национальных стандартов качества электроэнергии 10
1.3. Анализ качества электроэнергии в городских распределительных сетях 13
Выводы по первой главе 33
Глава 2. Топология гибридных фильтрокомпенсирующих устройств 34
2.1. Классификация фильтрокомпенсирующих устройств 34
2.2. Анализ компенсационных характеристик гибридных фильтров 46
2.3. Регулирование напряжения в точке подключения нагрузки с помощью гибридных фильтрокомпенсирующих устройств 60
2.4. Универсальные регуляторы качества электроэнергии 63
2.5. Процедура проектирования гибридных фильтрокомпенсирующих устройств 70
Выводы по второй главе 73
Глава 3. Алгоритмы формирования компенсирующих сигналов для силовых активных фильтров 75
3.1. Анализ существующих методов формирования компенсирующих сигналов 75
3.2. Адаптивный режекторный фильтр на основе КИХ-фильтра в форме цифровой линии задержки 82
3.3. Адаптивный режекторный БИХ-фильтр решетчатой структуры 87
3.4. Моделирование адаптивных устройств формирования компенсирующих сигналов 91
Выводы по третьей главе 95
4.1. Выбор среды моделирования 96
4.2. Модель блока формирования компенсирующего сигнала для силового активного фильтра 101
4.3. Модель последовательной структуры с активным фильтром, управляемым током сети 103
4.4. Модель параллельной структуры с активным фильтром, управляемым напряжением в точке общего присоединения 107
4.5. Гибридное фильтрокомпенсирующее устройство для автономной сети электроснабжения 111
Выводы по четвертой главе 116
Заключение 117
Библиографический список 119
- Сравнительный обзор национальных стандартов качества электроэнергии
- Анализ компенсационных характеристик гибридных фильтров
- Адаптивный режекторный фильтр на основе КИХ-фильтра в форме цифровой линии задержки
- Модель параллельной структуры с активным фильтром, управляемым напряжением в точке общего присоединения
Введение к работе
Актуальность работы. Ухудшение качества электроэнергии - одна из проблем современного электроснабжения. В России качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения регламентирует ГОСТ Р 54149-2010, который определяет 13 показателей качества.
Сложившаяся сегодня практика регулирования качества электроэнергии, как правило, ограничивается контролем двух показателей: отклонение напряжения и частоты. При этом не уделяется внимание нормированию показателей, связанных с высшими гармониками тока и напряжения.
Основными источниками гармонических искажений в сети являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей, но в последние годы наблюдается значительное ухудшение качества электроэнергии и в городских распределительных сетях 0,4-10 кВ. Это объясняется увеличением доли нелинейной нагрузки коммерческих и офисных потребителей.
Ухудшение качества электроэнергии в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран. В России решение этой проблемы относится к одному из приоритетных направлений в области энергосбережения и энергоэффективности. Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2446-р от 27 декабря 2010 г. была утверждена государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», определяющая основные тенденции развития энергетической отрасли страны.
Мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности должны предусматривать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Необходимо создание активно-адаптивных устройств, обеспечивающих управление основными параметрами, определяющими качество электроснабжения. Такими устройствами являются силовые активные фильтры. В последние годы значительный интерес проявляется к силовым гибридным фильтрам (ГФ), представляющим сочетание активного и пассивного силовых фильтров. Преимущества гибридных устройств - значительно меньшие мощность и стоимость активной части. Используют ГФ в основном для ослабления высших гармоник тока и напряжения. Однако качество электроэнергии в распределительных сетях зависит и от других параметров: колебаний напряжения, фликера и т. д. Поэтому необходимо создание многофункциональных фильтрокомпенсирую-щих устройств (ФКУ), воздействующих одновременно на несколько показателей качества электроэнергии.
Цель работы: развитие методов и средств управления качеством электроэнергии в распределительных сетях с высоким уровнем нелинейной нагрузки с помощью гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ.
-
Исследование компенсационных характеристик основных структур гибридных фильтров, и определение конфигураций для ослабления высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.
-
Разработка методов формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра на основе адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
-
Разработка математических моделей силовых гибридных фильтров.
-
Моделирование статических и динамических характеристик гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.
Объект исследования. Распределительные сети 0,4-10 кВ.
Предмет исследования. Методы и средства управления качеством электроэнергии в распределительных сетях.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы теоретической электротехники, теории автоматического управления, адаптивной цифровой обработки сигналов. Теоретические исследования сочетались с измерениями, проводимыми с помощью современных анализаторов качества электроэнергии, и компьютерным моделированием с использованием пакета прикладных программ MatLab и графической среды разработки Lab View.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Разработан новый метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов. По сравнению с известными методами, основанными на использовании нейронных сетей и цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой предлагаемый подход позволяет увеличить скорость настройки фильтра и требует меньшего числа вычислительных операций.
-
Предложены новые варианты универсальных гибридных фильтров, обеспечивающие ослабление высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.
-
Предложена стратегия управления гибридными фильтрокомпен-сирующими устройствами, обеспечивающая ослабление гармонических составляющих токов и напряжений сети, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке общего присоединения нелинейной нагрузки и гибридного фильтра.
Практическая значимость выполненной работы:
1. Применение результатов исследования позволит повысить качество электроэнергии в распределительных сетях с высокой долей нелинейных
нагрузок, что будет способствовать более длительной и надежной работе оборудования, снижению потерь, энергосбережению.
-
Предложенные гибридные ФКУ позволяют регулировать одновременно несколько показателей, определяющих качество электроэнергии в распределительных сетях.
-
Разработанный адаптивный метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник не требует предварительной настройки. Спектр компенсирующего сигнала изменяется в реальном времени при изменении спектров несинусоидальных токов и напряжений. Метод может быть использован как в активных, так и в гибридных силовых фильтрах различной конфигурации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Новый метод формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
-
Новые варианты гибридных фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих ослабление высших гармонических составляющих, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке присоединения.
-
Результаты исследования компенсационных характеристик гибридных фильтров, выполненного в среде MatLab.
Достоверность научных положений подтверждается их сравнением с результатами моделирования с помощью апробированного программного обеспечения, экспериментальных исследований, а также результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-
Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2010.
-
Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2011.
XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффек
тивность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2011.
XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффек
тивность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2011.
III Международной научно-практической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, 2012.
Международной конференции Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Пекин, 2013.
Личный вклад. Общая научная идея и метод формирования компенсирующего сигнала на основе цифрового режекторного фильтра решетчатой структуры разработаны совместно с научным руководителем, все остальные
положения, выносимые на защиту, в том числе математические модели структур гибридных фильтров и результаты исследования компенсационных характеристик, были получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Зарегистрирована программа для ЭВМ (свидетельство № 2011616500 от 23.06.11). В каждой работе, опубликованной в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 50 %.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 84 наименований и приложения на 1 странице.
Сравнительный обзор национальных стандартов качества электроэнергии
Согласно [20] под качеством электроэнергии понимают степень соответствия параметров электроэнергии требованиям стандартов. Параметром является величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электрической энергии.
Ухудшение качества электроэнергии приводит к серьезным отрицательным последствиям. Перечислим основные из них: 1. Увеличение потерь при передаче и распределении электроэнергии. 2. Сокращение срока службы электрооборудования, повышение аварийности в кабельных сетях, вызванное ускоренным старением изоляции. 3. Увеличение капитальных вложений, вызванное преждевременной заменой оборудования и необходимостью проведения комплекса организационных и технических мероприятий по улучшению качества электроэнергии. 4. Ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики [60]. 5. Неправильная работа измерительных устройств и приборов учета электроэнергии.
В [23] отмечается, что основные источники ухудшения качества электроэнергии находятся на уровне распределительных сетей и конечных потребителей. Традиционно решение проблемы качества электроэнергии сводится к нормированию классических параметров, таких как частота сети, номинальный уровень напряжения, провалы и колебания напряжения, импульсы перенапряжения. В большинстве случаев не придают значения несинусоидальному режиму работы сети и таким показателям качества как доза фликера, коэффициенты гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка (КЩп)) и суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки (в ГОСТ 13109-97 [40] параметр Ки назывался - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения). Основным источником искажений формы кривых токов и напряжений являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей [18]. Однако в последние годы отмечается значительное ухудшение качества электрической энергии в сетях коммерческих и офисных потребителей -торговых комплексов, офисных зданий, учебных заведений. Нелинейной нагрузкой таких потребителей является офисное оборудование (персональные компьютеры, серверы, принтеры, блоки бесперебойного питания и т.п.), использующее однофазные источники питания, а также регулируемые электроприводы систем кондиционирования и вентиляции. У этой группы потребителей доля нелинейной нагрузки может значительно превышать линейную составляющую. Как правило, источники питания офисного оборудования используют мостовые выпрямители с емкостными сглаживающими фильтрами. В выпрямителях, используемых в современных источниках электропитания, напряжение сети подается непосредственно на диодный мост. Выпрямленный ток преобразуется с помощью коммутатора в переменный ток высокой частоты, а затем снова выпрямляется. Такие источники питания вызывают значительные искажения формы потребляемого тока, существенную долю которого составляют компоненты с частотой третьей гармоники [62].
Увеличение уровня высших гармоник в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран [50, 56, 65, 77] Так, в обзорной статье [50] отмечается, что уровень высших гармоник напряжения в электрических сетях японских городов превышает пределы, установленные стандартом. В обзоре [65] высшие гармоники названы основной причиной ухудшения качества электроэнергии в электрических сетях Тайваня. Анализ гармонического состава токов в распределительных сетях города Белем (Бразилия), приведенный в статье [56] показывает, что уровень третьей и пятой гармоник в некоторых случаях превышает 20%. Авторы статьи отмечают, что наиболее высокий уровень высших гармоник характерен для распределительных сетей богатых кварталов, где используется большое количество бытовых электронных устройств.
Очевидно, что подобные проблемы характерны и для электрических сетей России. Это подтверждают результаты анализа качества электроэнергии, приведенные в [34, 35].
Несинусоидальные режимы работы систем электроснабжения приводят к дополнительным потерям электроэнергии. Как отмечается в [20], потери от высших гармоник при значениях коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения 7 - 15% могут достигать 10 - 12% суммарных потерь мощности. При меньших значениях суммарного коэффициента гармонических составляющих токов и напряжений дополнительные потери незначительны. В этом случае основной отрицательный экономический эффект связан с капитальными затратами на проектирование и установку фильтрокомпенсирующих устройств.
В настоящее время в большинстве промышленно развитых стран разработаны и приняты стандарты, определяющие качество электроэнергии и допустимые искажения формы напряжения и тока в сетях. Наиболее известными западными стандартами качества электроэнергии в электрических системах являются: стандарт, определяющий приемлемое качество электроэнергии (IEEE Standard 519-1992), стандарт по измерению возмущений, ухудшающих качество электроэнергии (IEEE Standard 1159) и американский стандарт (ANSI Standard С84-1 (1999) для напряжения 120В). Этими стандартами определяются пределы гармонических искажений напряжения и тока. В общем случае нормы устанавливаются на значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения, но существуют стандарты нормирующие уровни каждой гармоники напряжения в отдельности. При таком подходе, как правило, нормируемые уровни для четных гармоник в несколько раз меньше, чем для нечетных гармоник.
В странах Евросоюза основным стандартом является EN50160, который определяет показатели качества электрической энергии, их нормативные значения, интервалы усреднения и отчетный период. В ряде европейских стран нормы EN50160 приняты без изменений (Польша, Норвегия, Германия) либо с незначительными дополнениями (Дания).
В Армении, Белоруссии, Казахстане, Молдавии, Таджикистане, Узбекистане, Киргизии и России (до 1 января 2013 г.) национальным стандартом, определяющим нормы качества электроэнергии, является ГОСТ 13109-97.
С 1 января 2013 года в России вступил в силу ГОСТ Р 54149—2010, разработанный на основе положений EN50160. В отношении высших гармоник, стандарт устанавливает нормально допустимые и предельно допустимые значения как суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения (Таблица 1.1), так и для отдельных гармонических составляющих (Таблица 1.2).
Анализ компенсационных характеристик гибридных фильтров
На рисунке 1.21 показан спектральный состав токов в рабочее и вечернее время, на рисунке 1.22 - спектральный состав напряжений в рабочее и вечернее время.
Преобладающими являются составляющие, имеющие частоту третьей гармоники, которые суммируются в нейтральном проводе. Дополнительным фактором, приводящим к еще большему увеличению тока в нейтральном проводе, является несимметрия нагрузки. Это приводит к увеличению неконтролируемых потерь. Большие токи нейтрального провода могут привести к его повреждению. Кроме того, увеличивается нагрев обмоток силового трансформатора и их изоляция может быть повреждена.
Цех подключен к отдельной трансформаторной подстанции 10/0.4 кВ. Мощность трансформатора 630 кВА. Установленная мощность электроприемников составляет 430 кВт. Самой крупной нагрузкой является парогенератор мощностью 200 кВт. Мощность осветительной нагрузки невелика.
Цех работает в одну смену. В ночное время основной нагрузкой являются приводы холодильников и кондиционеров, а также дежурное освещение. Загрузка цеха имеет сезонный характер. Замеры были проведены в июле, когда загрузка цеха максимальна.
На рисунке 1.23 приведены графики значений 3-й и 5-й гармонической составляющей тока (в процентах по отношению к 1-й гармонике). Так как нагрузки по фазам симметричны, то приводятся данные только для фазы А.
Коэффициенты гармонических составляющих тока и напряжения в сети цеха по переработке молока (фаза А) На рисунках 1.26 - 1.27 показаны спектры средних значений гармоник токов и напряжений в фазы А в рабочее время (с 06:00 до 18:00) и ночное время.
Спектральный состав напряжения фазы А в рабочее и ночное время Результаты проведенных исследований показывают, что проблема обеспечения качества электроэнергии весьма актуальна для распределительных сетей крупных городов. Это подтверждают и исследования других авторов [56, 69, 85]. В сетях крупных коммерческих и офисных потребителей наблюдаются значительные искажения формы кривых токов [3]. В ряде случаев суммарный коэффициент гармонических составляющих тока превышает 30%. Отметим, что измерения проводились на кабельных вводах. Во внутренних сетях зданий искажения токов и напряжений значительно выше. Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока может превышать 100% [68 ,85]. В этом случае потери электроэнергии во внутренних сетях зданий увеличиваются в 2 - 2.5 раза по сравнению с синусоидальным режимом.
Серьезную проблему представляют токи третьей гармоники, суммирующиеся в нейтральных проводниках. Это приводит к увеличению потерь и в ряде случаев - к авариям, вызванным перегоранием нейтрального провода. Кроме того, большие уровни токов третьей гармоники вызывают дополнительный нагрев обмоток трансформаторов и могут вызвать повреждение их изоляции.
Российский ГОСТ Р 54149-2010 устанавливает допустимые значения гармонических составляющих напряжения. Однако государственный стандарт не нормирует допустимые значения для гармонических составляющих тока.
Для того чтобы оценить, насколько велик уровень искажения токов, обратимся к международным стандартам. В соответствии со стандартом IEEE 519-1992 максимальное значение суммарного коэффициента гармонических составляющих тока зависит от отношения тока короткого замыкания сети в точке общего присоединения к току нагрузки. В случае мощной сети (100 ISC/IL 1000) максимальное значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока не должно превышать 15%. Токи гармоник с порядковыми номерами пдолжны быть меньше 12% от тока нагрузки IL . Результаты проведенных измерений показывают, что в большинстве случаев суммарный коэффициент гармонических составляющих тока превышает допустимые значения, определяемые стандартом IEEE 519-1992.
Электрические сети офисных зданий, построенных в 60 - 90 годы, рассчитаны на относительно небольшие нагрузки. Широкое использование современного офисного оборудования может привести к их перегрузке. Замена кабелей в таких зданиях может потребовать значительных капитальных затрат. Следует учитывать и режим использования офисного оборудования. Как правило, персональные компьютеры включены в течение всего рабочего дня, а часть устройств (например, серверы) работает круглосуточно.
Очевидно, что широкое использование энергосберегающих устройств, имеющих нелинейные характеристики, может приводить к увеличению гармонических искажений токов и напряжений. Поэтому мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности должны предусматривать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения
1 Рассмотрены основные причины и последствия ухудшения качества электроэнергии. Проанализировано влияние несинусоидальных режимов на эффективность работы электрооборудования. Показано, что меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения, должны стать обязательной составной частью мероприятий по повышению энергоэффективности.
2 Проведен сравнительный анализ российских и международных стандартов, регламентирующих качество электрической энергии и уровни высших гармоник тока и напряжения в распределительных сетях. Во многих развитых странах к качеству электроэнергии предъявлены более жесткие требования чем установленные в ГОСТ Р 54149-2010, кроме того в части высших гармоник предусмотрено нормирование не только гармоник напряжения, но и гармоник тока сети.
3 Проведен анализ качества электроэнергии у крупных муниципальных потребителей, а также в сетях предприятий агропромышленного комплекса [4]. Показано, что в настоящее время проблема поддержания качества электроэнергии актуальна для всех систем электроснабжения, включая сети промышленных предприятий, городские распределительные сети, сети агропромышленного комплекса. Наиболее серьезную опасность для трехфазной сети представляют гармоники тока кратные трем (3,9,15 и т.д.), которые образуют нулевую последовательность и суммируются в нулевом проводнике. Для предотвращения возможной аварии, вызванной повреждением нулевого проводника, необходимо снижать уровни гармонических составляющих кратных трем. Одним из эффективных способов уменьшения гармоник является установка фильтрокомпенсирующих устройств.
Адаптивный режекторный фильтр на основе КИХ-фильтра в форме цифровой линии задержки
Ядром активного ФКУ, определяющим его основные характеристики как в установившемся, так и в переходном режимах, является система формирования сигналов управления инвертором. Алгоритм формирования управляющих сигналов включает следующие операции. 1. Получение цифровых сигналов, пропорциональных несинусоидальному току нагрузки іи и напряжению сети ис. 2. Формирование компенсирующего сигнала. 3. Формирование сигналов управления ключами инвертора с помощью гистерезисного метода или широтно - импульсной модуляции (ШИМ).
Методы формирования компенсирующих сигналов можно разделить на две группы [50, 81]. К первой группе относят методы формирования управляющих сигналов в частотной области. Вторую группу образуют алгоритмы формирования компенсирующих сигналов во временной области. Стратегия формирования компенсирующих сигналов в частотной области основана на представлении несинусоидальных токов и напряжений в виде ряда Фурье. С помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) отсчеты периодического входного сигнала (несинусоидального тока или напряжения) х(п) представляют в виде комплексного ряда [28]
Компенсирующий сигнал формируется после того как определены амплитуды и начальные фазы гармоник. Для вычисления JV-точечного ДПФ требуется N операций.
Для уменьшения количества операций используют быстрое преобразование Фурье (БПФ) [28]. Основой БПФ является операция, получившая название прореживание (во временной или частотной областях). Прореживание заключается в разделении TV-точечного ДПФ на два N12-точечных ДПФ. Каждое из VV/2-точечных преобразований может быть получено повторением использованного приема. Если N кратно 2, т.е. если N — 2m, то процедура последовательного прореживания входных отсчетов может быть проведена т раз. В результате останется двухточечное преобразование. При использовании БПФ число операций равно N log2(./V).
Другой вычислительной процедурой, позволяющей уменьшить вычислительные затраты по сравнению с прямым ДПФ, является рекурсивное ДПФ, использующее метод скользящего окна [24].
Общий недостаток методов формирования компенсирующих сигналов в частотной области заключается в том, что требуется предварительная аналоговая фильтрация для того, чтобы исключить наложение спектров сигналов. Включение фильтра вносит дополнительные амплитудные и фазовые искажения. Кроме того, необходима синхронизация между частотой дискретизации и частотой основной гармоники. И, наконец, анализируемый сигнал должен быть стационарным, что на практике выполняется не всегда.
Методы формирования компенсирующих сигналов во временной области основаны на использовании мгновенных значений токов и напряжений сети. Благодаря большему быстродействию они получили преимущественное распространение. Перечислим наиболее распространенные методы формирования компенсирующих сигналов во временной области: - методы мгновенной реактивной мощности; - методы, основанные на использовании режекторных фильтров; - методы, основанные на использовании нейронных сетей; - методы цифровой обработки сигналов. Метод мгновенной реактивной мощности предложен в работах X. Акаги и его коллег [51, 52]. Метод основан на вычислении мгновенных значений величин, получивших название мгновенной активной и реактивной мощностей. Альтернативное название метода, встречающееся в зарубежной литературе —p-q теория.
Трехфазная система рассматривается как единое целое, а не как совокупность нескольких однофазных систем. Основные положения метода могут быть получены на основе манипуляций с фазными токами и напряжениями. Однако упростить их вывод можно с помощью преобразования Кларка.
Мгновенные напряжения и токи трехфазной системы в координатах А, В, С преобразуются в вектор на комплексной плоскости в координатах 0, а и А [30,33]: и0 uA{t) Ua =[м] uB(t) .V uc(t) (3.3) k ДО la = [м] до _V jc{t)_ (3.4) В последних выражениях [М] - матрица преобразования 1 л/2 V2 V2 [М] = (3.5) і -і I 2 2 0 лЯ V3 2 2 . определяющая линейное преобразование переменных трехфазной системы в вектор на плоскости а - /3 - 0.
Преобразование, определяемое формулами (3.3)-(3.4) позволяет выделить составляющие нулевой последовательности в фазных напряжениях и токах. В трехпроводной трехфазной системе токи не содержат составляющую нулевой последовательности г0. Точно также в симметричной четырехпроводной трехфазной системе фазные напряжения не содержат составляющую и0.
Модель параллельной структуры с активным фильтром, управляемым напряжением в точке общего присоединения
Для решения дифференциальных уравнений в АТР-ЕМТР использован метод трапеций с фиксированным шагом. В зависимости от сложности решаемой задачи в Simulink можно использовать алгоритмы с фиксированным или переменным шагом (есть шесть типов фиксированного шага и восемь типов алгоритмов с переменным шагом). Наличие обширной библиотеки программ решения систем дифференциальных уравнений является серьезным преимуществом MATLAB перед другими программными комплексами.
Следует отметить, что АТР-ЕМТР позволяет моделировать физические процессы линий электропередач и трансформаторов быстро и в удобном виде, но MATLAB предлагает больше возможностей в области силовой электроники и цифровой обработки сигналов.
Для достижения поставленных целей моделирования требуется среда разработки, позволяющая производить моделирование электрических сетей, устройств цифровой и силовой электроники, предоставлять инструменты для спектрального анализа сигналов и удобного просмотра результатов моделирования, поэтому в данной работе был использован программный комплекс MATLAB. Моделирование производилось в среде Simulink с использованием дополнительных библиотек: Digital Signal Processing, SimPowerSystems.
Модуль, в котором происходит формирование компенсирующего сигнала (рисунок 4.3 а) состоит из блоков КИХ-фильтра (FIR) и БИХ 101 фильтра (IIR) (рисунок 4.3 б). На входе каждого фильтра стоит блок АЦП с частотой дискретизации 10 кГц. е(п) Re! Compensation а x{n) б Подробные схемы блоков FIR и IIR представлены на рисунках 4.4 и 4.5. Основные элементы моделей КИХ и БИХ фильтров: сумматоры, элементы задержки, умножители, блоки MatLab Function и блоки Gain.
Как видно из рисунка 4.3, б, коэффициент к2, отвечающий за ширину полосы задерживания БИХ-фильтра, принят за постоянную величину равную 0,99. Это значение было получено опытным путем и принято как оптимальное.
Модель трехфазной сети с гибридным фильтром последовательной структуры показана на рисунке 4.6.
В соответствии с рассмотренными в главе 2 компенсационными характеристиками последовательной структуры с обратной связью по напряжению активный фильтр представлен управляемым источником напряжения. Параметр і?аф имеет размерность сопротивления. При моделировании параметр активного фильтра был выбран Лаф = 5. В качестве эталонного сигнала Ref для настройки режекторного КИХ-фильтра используется напряжение фазы А в точке общего присоединения. Внешний источник гармоник, поступающих из сети, моделируется источником напряжения с частотой 250 Гц, включенным последовательно с основным источником. Блок LinearLoad моделирует линейную нагрузку мощностью 5кВА. Нелинейная нагрузка представлена двумя мостовыми выпрямителями. Каждый выпрямитель имеет мощность 10 кВА.
На первом этапе моделирования к сети подключен только один выпрямитель, включение второго выпрямителя происходит в момент времени t-0,7c для имитации ситуации с резким изменением тока нагрузки. 1) Включение пассивного фильтра происходит в момент времени t = 0,2c. Графики тока и напряжения на интервале 0.15 - 0.3 с представлены на рисунке 4.9. В соответствии со своими компенсационными характеристиками пассивный фильтр увеличил 5 гармонику тока, вызванную внешним источником напряжения, поэтому коэффициент синусоидальности кривой тока изменился с А", =17,91% до АГ; =22,54%, при этом Ки изменился с Ки = 10,52 % до Ки = 4,69 %. 2) Включение активного фильтра происходит в момент времени t = 0,4 с. (рисунок 4.10). Активный фильтр компенсирует высшие гармоники тока, вызванные как внешним источником, так и нелинейной нагрузкой внутри сети, коэффициент искажения кривой тока уменьшается с К, = 22,54 % до К, = 5,26%. При этом коэффициент искажения синусоидальной формы кривой напряжения увеличивается с Ки = 4,69 % до Ки = 7,75 %. Рисунок 4.10 - Ток (а) и напряжение (б) до и после включения активного фильтра 105 3) Увеличение нагрузки происходит в момент времени / = 0,7 с (рисунок 4.11). Коэффициент искажения синусоидальной формы кривой тока изменяется с К, =5,26% до Kt=4,64%. Уменьшение коэффициента происходит за счет увеличения тока основной гармоники. При этом происходит искажения кривой напряжения, с Ки = 7,75 % до Ки = 9,52%.
